简易信号发生器的设计（幅度、频率可调）

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前言

本人是一名大学生，写文章是为了锻炼自己，记录学习的过程，能和大佬们交流经验。这是我第一次写文章，若有错误的地方欢迎各位大佬指正。

刚刚结束大三的电子设计课程，我抽到的课题是制作一个简易信号发生器，要求是能够输出三种波形：正弦波、矩形波、三角波，同时做到波形无明显失真，且幅度0~5V可调，频率可调。
题目不难，按照学习进度来说，到大三因该也学习STM32单片机，也具有电路，和模拟电路等专业知识，那实现这个课题就有很多方法了。因为一直在忙于电子设计竞赛，没有太多时间想更多的方法，所以我采用TL084运算放大器来搭建电路和实现要求。

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一、设计方案选择

系统的总体电路设计为采用运放TL084CN搭建RC电桥振荡器产生正弦波，选频网络实现频率的调节、用滑动变阻器实现幅度的调节。将产生的正弦波经过滞回比较器实现方波的输出，再经过一个积分电路实现方波到三角波的转换。该方案电路设计简单，在集成运放的作用下，可以较容易得到所需的波形，通过参数调节可以得到稳定的波形。
其总体框图如图所示。

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二、电路设计

1.正弦波电路设计

在本次设计中，采用RC桥式正弦波振荡器作为第一级产生正弦波，后经过一个单位增益缓冲器产生最最终的正弦波。在正弦波的输出端加入一个滑动变阻器R8来实现调整正弦波的幅度，R8=10K即可满足0~5V幅度可调。

RC桥式正弦波振荡电路由三部分组成，即放大电路、选频网络、稳压电路。RC桥式正弦波振荡电路的放大电路是由集成运放所组成的电压串联负反馈放大电路，具有输入阻抗高和输出阻抗低的特性，在电路中由R1、R2、R3构成放大电路。滑动变阻器R5、电容C3、C4构成串联谐振回路与滑动变阻器R17、电容C1、C2并联谐振回路，二者一起构成正反馈支路，同时兼作选频网络。电容之间通过开关来切换频率挡位，通过调节串并谐振网络中的电阻值便可以调节输出频率的范围。

为了使振荡幅度稳定，通常在放大电路的反馈回路中加入非线性元件来自动调节负反馈放大电路的增益，从而维持输出电压幅度的稳定。
本设计中利用两个反向并联二极管D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。当输出电压的幅度较小时，电阻R3两端的电压低，二极管D1、D2截止，负反馈系数由R1、R2及R3决定；当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管D1、D2在正负半周期轮流工作，其动态电阻与R并联，使负反馈系数加大，电压增益下降。输出电压的幅度越大，二极管的动态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。D1、D2采用1N4148，与电路特性匹配，能够保证输出波形正、负半周期对称。R3并联在两个二极管间可以削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。

建立振荡，要使电路自激，从而产生持续的振荡，将直流电源的能量变为交流信号输出。对于RC振荡电路而言，产生振荡的条件是使其电路放大倍数大于一个值。为了维持振荡输出，选定合适的参数，通过理论计算可以得知，可以使电路产生振荡。注意在总的电路仿真中注意选频网络中的电位器开始时不能太大，否则产生不了电路自激振荡。

电路频率的调节：电路的振荡频率为f，由公式可以得知，电路的频率可以通过调节滑动变阻器R17、R5来改变，当两者的阻值乘积越大，频率f越小，频率f和R17、R5阻值的乘积成反比。在调频网络电路中，选用两个电容值为100nF的电容C1、C3和1.5nF的电容C2、C4，电阻值均为200K的滑动变阻器R17、R5。根据频率要求来选择参数，则利用频率公式可以反推得到电阻值计算公式。注意在此选频网络中，R5和R17最好采用双联电位器，两个电位器同时调节，当然采用滑动变阻器也可以，推荐使用双联电位器（WH148）。

此外在RC震荡器后加了一个单位增益缓冲器来对第一级放大电路产生的正弦波进行缓冲。单位增益缓冲器是电压增益为“1”的运放电路。这意味着运算放大器不提供任何信号放大。输出电压信号与输入电压相同。例如，如果运放输入10V，输出10V。一个单位增益缓冲器作为一个真正的缓冲器，提供没有放大或衰减的信号。单位增益用于提高系统高阻输出时候的小电流源，提高带载能力，防止低阻对导致高干扰和使用电源供电的负载。

下图为正弦波电路设计图：

单位增益缓冲器设计图：

2.方波电路设计

本设计中采用滞回比较器实现方波的输出，即将第一级产生的正弦波经过滞回比较器便可得到方波。同样利用滑动变阻器R16来调整方波信号的幅度。运用运放构成的滞回比较器，为了避免内部管子进入深度饱和区，在信号输出端加入了限幅电路，由两个稳压二极管串联组成，来提高响应速度。本电路中采用1N7433稳压管进行限幅。 R9=10K,R10=100K,R6=2K,R11=9.1K,R16=10K。

滞回比较器实际上是个加了正反馈的比较器，输出状态也是只有两个状态，要么是高电平，要么就是低电平。即当 VIN(+) > VIN(-)，输出高电平；VIN(+) < VIN(-)，则输出低电平。但当两个输入端信号极为接近时，由于输入电压的毛刺就会导致输出产生连续跳变，这就是所谓的振铃效应。为了解决这个问题提出了滞回比较器，由于滞回比较器的输入电压逐渐增大或者减小时，有两个不相等的阈值，其传输特性具有滞回曲线的形状，因此具有很强的抗干扰能力。滞回比较器通常又称“施密特触发比较器”或者“迟滞比较器”。

方波电路设计图：

3.三角波电路设计

由前级电路所得到的方波经过一个积分电路便可以得到三角波。同样利用滑动变阻器R15来调整方波信号的幅度。由R14、C5或C6组成积分电路，方波从运放的反向输入端输入，而输出电压又经过电容C反馈到反向输入端。通过对电容C的充、放电实现状态的转换，以实现方波向三角波的转换，从而实现三角波的生成。选择R14=200K,R15=510K左右，C5=1.5nF,C6=100nF。

根据集成运放虚短虚断，根据电容电压特性，输入电阻为R，放大倍数取决于R、C的大小。为保证集成运放输入级差分放大电路的对称性，电阻R ′ 应等于R的阻值。积分电路常用于波形转换，如将矩形波变三角波。对正弦波积分可以实现相移。上述的分析是基于通频带内，如果频率趋于0，电容容抗无穷大，反馈电路近似为开路。反馈电路开路就会导致电压放大倍数无穷大，集成运放电压失调。为了避免低频反馈电阻无穷大，一般会并联上一个电阻。

积分器电路根据电路时间常数和放大器的带宽，在一个频率范围内输出输入信号的积分。输入信号被施加到反相输入，因此输出相对于输入信号的极性反相。反馈电阻器限制了执行积分功能的较低频率范围。

R15如果不增加将会导致输出出现积分饱和，也就是电容无法放电，导致输出异常甚至可能达到和供电电源一样的电压，因此需要增加这个大的并联电容。
积分电路：

三角波电路设计图：

4.总体电路设计图

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三、电路仿真

对仿真结果进行分析，该系统能正确产生正弦波、方波、三角波等三种波形，且波形无明显失真，幅度均在0~5V可调，频率可调。下面给出几张仿真图。

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四、硬件制作及波形验证

根据Multisim原理图，我使用嘉立创EDA来绘制原理图和PCB图，因为嘉立创EDA自带器件封装，比较方便，开关采用排针，开关导通用杜邦线连接来实现。下面给出原理图设计图：

画完原理图后对应导入PCB，最后画完PCB用嘉立创自带的下单平台进行打板（可以白嫖哦，我打了5块板没花一分米）
最后收到板子焊上元器件就可以上电调试查看波形了。

对硬件实物进行测试，给板子接上+12V和-12V电压，利用示波器得到下图。在电路板上通过测试不同的波形输出端口来测试波形，通过滑动变阻器来调幅值和频率，经过调试，波形无明显失真，而且波形精度高，频率和幅度均可调，满足设计的要求。

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总结

系统的总体电路设计为采用运放TL084CN搭建RC振荡器产生正弦波，正弦波的频率、幅度均可调。将产生的正弦波经过滞回比较器实现方波的输出，方波的频率、幅度均可调。再经过一个积分电路实现方波到三角波的转换。利用滑动变阻器可改变信号输出的幅度和频率。经过验证，可以产生正确的波形，频率和幅度均可调，满足设计要求。

以上就是主要的内容，如有错误欢迎指正，有什么想法和意见可以评论，大家一起交流经验。